Los expansores pueden usar la reducción de la presión para impulsar máquinas giratorias. Aquí puede encontrar información sobre cómo evaluar los beneficios potenciales de instalar un extensor.
Típicamente en la industria del proceso químico (IPC), "se desperdicia una gran cantidad de energía en las válvulas de control de presión donde los fluidos de alta presión deben ser despresurizados" [1]. Dependiendo de varios factores técnicos y económicos, puede ser deseable convertir esta energía en energía mecánica giratoria, que puede usarse para impulsar generadores u otras máquinas giratorias. Para los fluidos incompresibles (líquidos), esto se logra utilizando una turbina de recuperación de energía hidráulica (HPRT; ver Referencia 1). Para líquidos compresibles (gases), un expansor es una máquina adecuada.
Los expansores son una tecnología madura con muchas aplicaciones exitosas, como grietas catalíticas de fluidos (FCC), refrigeración, válvulas de la ciudad de gas natural, separación de aire o emisiones de escape. En principio, cualquier corriente de gas con presión reducida puede usarse para impulsar un expansor, pero "la salida de energía es directamente proporcional a la relación de presión, la temperatura y la velocidad de flujo de la corriente de gas" [2], así como la viabilidad técnica y económica. Implementación del expansor: el proceso depende de estos y otros factores, como los precios de la energía local y la disponibilidad de equipos adecuados del fabricante.
Aunque el turboexperador (que funciona de manera similar a una turbina) es el tipo de expansor más conocido (Figura 1), hay otros tipos adecuados para diferentes condiciones de proceso. Este artículo presenta los principales tipos de expansores y sus componentes y resume cómo los gerentes de operaciones, consultores o auditores energéticos en varias divisiones del IPC pueden evaluar los posibles beneficios económicos y ambientales de instalar un expansor.
Hay muchos tipos diferentes de bandas de resistencia que varían mucho en la geometría y la función. Los tipos principales se muestran en la Figura 2, y cada tipo se describe brevemente a continuación. Para obtener más información, así como gráficos que comparan el estado operativo de cada tipo basado en diámetros específicos y velocidades específicas, consulte Ayuda. 3.
Pistón Turboexperador. El pistón y los turboexters de pistón rotativo funcionan como un motor de combustión interna de rotación inversa, absorbiendo gases de alta presión y convirtiendo su energía almacenada en energía rotacional a través del cigüeñal.
Arrastre el turbo expansor. El expansor de la turbina de freno consiste en una cámara de flujo concéntrica con aletas de cubo unidas a la periferia del elemento giratorio. Están diseñados de la misma manera que las ruedas de agua, pero la sección transversal de las cámaras concéntricas aumenta de entrada a otra, lo que permite que el gas se expanda.
Turboexperador radial. Los turboexters de flujo radial tienen una entrada axial y una salida radial, lo que permite que el gas se expanda radialmente a través del impulsor de la turbina. Del mismo modo, las turbinas de flujo axial expanden el gas a través de la rueda de la turbina, pero la dirección del flujo permanece paralela al eje de rotación.
Este artículo se centra en turboexters radiales y axiales, discutiendo sus diversos subtipos, componentes y economía.
Un turboexperador extrae energía de una corriente de gas de alta presión y la convierte en una carga de accionamiento. Por lo general, la carga es un compresor o generador conectado a un eje. Un turboexperador con un compresor comprime fluido en otras partes de la corriente de proceso que requiere fluido comprimido, aumentando así la eficiencia general de la planta mediante el uso de energía que de otro modo se desperdicia. Un turboexperador con una carga generadora convierte la energía en electricidad, que puede usarse en otros procesos de plantas o devuelto a la cuadrícula local para la venta.
Los generadores de turboexperadores se pueden equipar con un eje de transmisión directo desde la rueda de la turbina hasta el generador, o a través de una caja de cambios que reduce efectivamente la velocidad de entrada de la rueda de la turbina a la generación a través de una relación de engranaje. Los turboexters de impulso directo ofrecen ventajas en costos de eficiencia, huella y mantenimiento. Los turboexters de la caja de cambios son más pesados y requieren una huella más grande, equipo auxiliar de lubricación y mantenimiento regular.
Los turboexters de flujo se pueden hacer en forma de turbinas radiales o axiales. Los expansores de flujo radial contienen una entrada axial y una salida radial de tal manera que el flujo de gas sale de la turbina radialmente del eje de rotación. Las turbinas axiales permiten que el gas fluya axialmente a lo largo del eje de rotación. Las turbinas de flujo axial extraen energía del flujo de gas a través de las paletas de guía de entrada a la rueda del expansor, con el área de sección transversal de la cámara de expansión aumentando gradualmente para mantener una velocidad constante.
Un generador de turboexperador consta de tres componentes principales: una rueda de turbina, rodamientos especiales y un generador.
Rueda de turbina. Las ruedas de turbina a menudo se diseñan específicamente para optimizar la eficiencia aerodinámica. Las variables de aplicación que afectan el diseño de la rueda de la turbina incluyen presión de entrada/salida, temperatura de entrada/salida, flujo de volumen y propiedades de fluido. Cuando la relación de compresión es demasiado alta para reducirse en una etapa, se requiere un turboexta con múltiples ruedas de turbina. Tanto las ruedas de turbina radial y axial se pueden diseñar como una etapa múltiple, pero las ruedas de turbina axial tienen una longitud axial mucho más corta y, por lo tanto, son más compactas. Las turbinas de flujo radial de varias etapas requieren que el gas fluya de axial a radial y de regreso a axial, creando mayores pérdidas de fricción que las turbinas de flujo axial.
aspectos. El diseño del rodamiento es fundamental para la operación eficiente de un turboexperador. Los tipos de cojinetes relacionados con los diseños de turboexperadores varían ampliamente y pueden incluir rodamientos de aceite, rodamientos de películas líquidas, rodamientos de bolas tradicionales y cojinetes magnéticos. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, como se muestra en la Tabla 1.
Muchos fabricantes de turboexperadores seleccionan cojinetes magnéticos como su "rodamiento de elección" debido a sus ventajas únicas. Los rodamientos magnéticos aseguran el funcionamiento sin fricción de los componentes dinámicos del turboexperador, reduciendo significativamente los costos operativos y de mantenimiento durante la vida útil de la máquina. También están diseñados para soportar una amplia gama de cargas axiales y radiales y condiciones de sobrecarga. Sus costos iniciales más altos se compensan por costos de ciclo de vida mucho más bajos.
dinamo. El generador toma la energía de rotación de la turbina y la convierte en energía eléctrica útil utilizando un generador electromagnético (que puede ser un generador de inducción o un generador de imán permanente). Los generadores de inducción tienen una velocidad nominal más baja, por lo que las aplicaciones de turbina de alta velocidad requieren una caja de cambios, pero pueden diseñarse para que coincida con la frecuencia de la cuadrícula, eliminando la necesidad de una unidad de frecuencia variable (VFD) para suministrar la electricidad generada. Los generadores de imán permanentes, por otro lado, pueden estar directamente el eje acoplado a la turbina y transmitir energía a la cuadrícula a través de una unidad de frecuencia variable. El generador está diseñado para ofrecer una potencia máxima basada en la potencia del eje disponible en el sistema.
Sellos. El sello también es un componente crítico al diseñar un sistema turboexperador. Para mantener una alta eficiencia y cumplir con los estándares ambientales, los sistemas deben sellarse para evitar posibles fugas de gas de proceso. Los turboexters se pueden equipar con sellos dinámicos o estáticos. Los sellos dinámicos, como los sellos de laberinto y los sellos de gas seco, proporcionan un sello alrededor de un eje giratorio, típicamente entre la rueda de la turbina, los rodamientos y el resto de la máquina donde se encuentra el generador. Los sellos dinámicos se desgastan con el tiempo y requieren mantenimiento e inspección regulares para garantizar que funcionen correctamente. Cuando todos los componentes turboexperadores están contenidos en una sola carcasa, se pueden usar sellos estáticos para proteger cualquier cabecera que salga de la carcasa, incluso al generador, unidades de rodamiento magnético o sensores. Estos sellos herméticos proporcionan protección permanente contra la fuga de gas y no requieren mantenimiento ni reparación.
Desde el punto de vista del proceso, el requisito principal para instalar un expansor es suministrar gas compresible de alta presión (no condensable) a un sistema de baja presión con suficiente flujo, caída de presión y utilización para mantener el funcionamiento normal del equipo. Los parámetros operativos se mantienen en un nivel seguro y eficiente.
En términos de función reductora de presión, el expansor se puede usar para reemplazar la válvula Joule-Thomson (JT), también conocida como la válvula del acelerador. Dado que la válvula JT se mueve a lo largo de un camino isentrópico y el expansor se mueve a lo largo de una ruta casi isentrópica, esta última reduce la entalpía del gas y convierte la diferencia de entalpía en la potencia del eje, produciendo así una temperatura de salida más baja que la válvula JT. Esto es útil en procesos criogénicos donde el objetivo es reducir la temperatura del gas.
Si hay un límite inferior en la temperatura del gas de salida (por ejemplo, en una estación de descompresión donde la temperatura del gas debe mantenerse por encima de la congelación, la hidratación o la temperatura mínima de diseño del material), se debe agregar al menos un calentador. controlar la temperatura del gas. Cuando el precalentador se encuentra aguas arriba del expansor, parte de la energía del gas de alimentación también se recupera en el expansor, aumentando así su potencia de salida. En algunas configuraciones donde se requiere control de temperatura de salida, se puede instalar un segundo repetidor después del expansor para proporcionar un control más rápido.
En la Fig. La Figura 3 muestra un diagrama simplificado del diagrama de flujo general de un generador de expansión con precalentador utilizado para reemplazar una válvula JT.
En otras configuraciones de proceso, la energía recuperada en el expansor se puede transferir directamente al compresor. Estas máquinas, a veces llamadas "comandantes", generalmente tienen etapas de expansión y compresión conectadas por uno o más ejes, que también pueden incluir una caja de cambios para regular la diferencia de velocidad entre las dos etapas. También puede incluir un motor adicional para proporcionar más potencia a la etapa de compresión.
A continuación se muestran algunos de los componentes más importantes que garantizan un funcionamiento y estabilidad adecuados del sistema.
Válvula de derivación o válvula reductora de presión. La válvula de derivación permite que el funcionamiento continúe cuando el turboexperador no está en funcionamiento (por ejemplo, para mantenimiento o emergencia), mientras que la válvula de reducción de presión se usa para el funcionamiento continuo para suministrar exceso de gas cuando el flujo total excede la capacidad de diseño del expansor.
Válvula de apagado de emergencia (ESD). Las válvulas de ESD se usan para bloquear el flujo de gas en el expansor en una emergencia para evitar daños mecánicos.
Instrumentos y controles. Las variables importantes para monitorear incluyen presión de entrada y salida, velocidad de flujo, velocidad de rotación y potencia de salida.
Conducir a una velocidad excesiva. El dispositivo corta el flujo a la turbina, lo que hace que el rotor de la turbina disminuya la velocidad, protegiendo así el equipo de velocidades excesivas debido a condiciones inesperadas del proceso que podrían dañar el equipo.
Válvula de seguridad a presión (PSV). Los PSV a menudo se instalan después de un turboexperador para proteger las tuberías y los equipos de baja presión. El PSV debe estar diseñado para resistir las contingencias más severas, que generalmente incluyen la falla de la válvula de derivación para abrir. Si se agrega un expansor a una estación de reducción de presión existente, el equipo de diseño del proceso debe determinar si el PSV existente proporciona una protección adecuada.
Calentador. Los calentadores compensan la caída de temperatura causada por el gas que pasa a través de la turbina, por lo que el gas debe precalentarse. Su función principal es aumentar la temperatura del flujo de gas creciente para mantener la temperatura del gas, dejando el expansor por encima de un valor mínimo. Otro beneficio de elevar la temperatura es aumentar la potencia de salida, así como evitar la corrosión, la condensación o los hidratos que podrían afectar negativamente las boquillas del equipo. En los sistemas que contienen intercambiadores de calor (como se muestra en la Figura 3), la temperatura del gas generalmente se controla regulando el flujo de líquido calentado en el precalentador. En algunos diseños, se puede usar un calentador de llama o un calentador eléctrico en lugar de un intercambiador de calor. Es posible que los calentadores ya existan en una estación de válvula JT existente, y agregar un expansor puede no requerir la instalación de calentadores adicionales, sino que aumenta el flujo de fluido calentado.
Sistemas de gas de petróleo y sello lubricantes. Como se mencionó anteriormente, los expansores pueden usar diferentes diseños de sellos, que pueden requerir lubricantes y gases de sellado. Cuando corresponda, el aceite lubricante debe mantener una alta calidad y pureza cuando esté en contacto con los gases de proceso, y el nivel de viscosidad del aceite debe permanecer dentro del rango operativo requerido de rodamientos lubricados. Los sistemas de gas sellados generalmente están equipados con un dispositivo de lubricación de aceite para evitar que el aceite de la caja de rodamientos ingrese a la caja de expansión. Para aplicaciones especiales de los compensadores utilizados en la industria de hidrocarburos, los sistemas de gas de aceite lubricante y de foca típicamente están diseñados para las especificaciones API 617 [5] Parte 4.
Unidad de frecuencia variable (VFD). Cuando el generador es inducción, se enciende un VFD para ajustar la señal de corriente alterna (CA) para que coincida con la frecuencia de utilidad. Por lo general, los diseños basados en unidades de frecuencia variables tienen una eficiencia general más alta que los diseños que usan cajas de cambios u otros componentes mecánicos. Los sistemas basados en VFD también pueden acomodar una gama más amplia de cambios de proceso que pueden dar lugar a cambios en la velocidad del eje del expansor.
Transmisión. Algunos diseños de expansores usan una caja de cambios para reducir la velocidad del expansor a la velocidad nominal del generador. El costo de usar una caja de cambios es una eficiencia general más baja y, por lo tanto, una potencia más baja.
Al preparar una solicitud de cotización (RFQ) para un expansor, el ingeniero de procesos primero debe determinar las condiciones de funcionamiento, incluida la siguiente información:
Los ingenieros mecánicos a menudo completan especificaciones y especificaciones del generador de expansión utilizando datos de otras disciplinas de ingeniería. Estas entradas pueden incluir lo siguiente:
Las especificaciones también deben incluir una lista de documentos y dibujos proporcionados por el fabricante como parte del proceso de licitación y el alcance del suministro, así como los procedimientos de prueba aplicables según lo requiera el proyecto.
La información técnica proporcionada por el fabricante como parte del proceso de licitación generalmente debe incluir los siguientes elementos:
Si algún aspecto de la propuesta difiere de las especificaciones originales, el fabricante también debe proporcionar una lista de desviaciones y los motivos de las desviaciones.
Una vez que se recibe una propuesta, el equipo de desarrollo del proyecto debe revisar la solicitud de cumplimiento y determinar si las variaciones están técnicamente justificadas.
Otras consideraciones técnicas a considerar al evaluar las propuestas incluyen:
Finalmente, se debe realizar un análisis económico. Debido a que diferentes opciones pueden dar como resultado diferentes costos iniciales, se recomienda que se realice un análisis de costos de flujo de efectivo o ciclo de vida para comparar la economía a largo plazo del proyecto y el retorno de la inversión. Por ejemplo, una inversión inicial más alta puede compensarse a largo plazo mediante una mayor productividad o requisitos de mantenimiento reducidos. Consulte "Referencias" para obtener instrucciones sobre este tipo de análisis. 4.
Todas las aplicaciones de Generador Turboexperador requieren un cálculo inicial de potencia potencial total para determinar la cantidad total de energía disponible que se puede recuperar en una aplicación particular. Para un generador de turboexperador, el potencial de potencia se calcula como un proceso isentrópico (entropía constante). Esta es la situación termodinámica ideal para considerar un proceso adiabático reversible sin fricción, pero es el proceso correcto para estimar el potencial de energía real.
La energía potencial isentrópica (IPP) se calcula multiplicando la diferencia de entalpía específica en la entrada y la salida del turboexperador y multiplicando el resultado por el caudal de masa. Esta energía potencial se expresará como una cantidad isentrópica (ecuación (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, E)) × ṁ X ŋ (1)
donde h (i, e) es la entalpía específica que tiene en cuenta la temperatura de salida isentrópica y ṁ es la tasa de flujo de masa.
Aunque la energía potencial isentrópica puede usarse para estimar la energía potencial, todos los sistemas reales implican fricción, calor y otras pérdidas de energía auxiliar. Por lo tanto, al calcular el potencial de potencia real, se deben tener en cuenta los siguientes datos de entrada adicionales:
En la mayoría de las aplicaciones de turboexperadores, la temperatura se limita a un mínimo para evitar problemas no deseados, como la congelación de tuberías mencionadas anteriormente. Cuando los flujos de gas natural, los hidratos casi siempre están presentes, lo que significa que la tubería aguas abajo de un turboexta o válvula de acelerador se congelará interna y externamente si la temperatura de salida cae por debajo de 0 ° C. La formación de hielo puede provocar restricción de flujo y, en última instancia, apagar el sistema para descongelar. Por lo tanto, la temperatura de salida "deseada" se usa para calcular un escenario de potencia potencial más realista. Sin embargo, para gases como el hidrógeno, el límite de temperatura es mucho más bajo porque el hidrógeno no cambia de gas a líquido hasta que alcanza la temperatura criogénica (-253 ° C). Use esta temperatura de salida deseada para calcular la entalpía específica.
También se debe considerar la eficiencia del sistema turboexperador. Dependiendo de la tecnología utilizada, la eficiencia del sistema puede variar significativamente. Por ejemplo, un turboexperador que utiliza un equipo de reducción para transferir energía rotacional de la turbina al generador experimentará mayores pérdidas por fricción que un sistema que utiliza la unidad directa desde la turbina al generador. La eficiencia general de un sistema turboexperador se expresa como un porcentaje y se tiene en cuenta al evaluar el potencial de potencia real del turboexperador. El potencial de potencia real (PP) se calcula de la siguiente manera:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Veamos la aplicación del alivio de la presión del gas natural. ABC opera y mantiene una estación de reducción de presión que transporta el gas natural desde la tubería principal y lo distribuye a los municipios locales. En esta estación, la presión de entrada de gas es de 40 bar y la presión de salida es de 8 bar. La temperatura de gas de entrada precalentada es de 35 ° C, lo que precaliente el gas para evitar la congelación de la tubería. Por lo tanto, la temperatura del gas de salida debe controlarse para que no caiga por debajo de 0 ° C. En este ejemplo, usaremos 5 ° C como la temperatura mínima de salida para aumentar el factor de seguridad. La tasa de flujo de gas volumétrico normalizado es de 50,000 nm3/h. Para calcular el potencial de potencia, asumiremos que todo el gas fluye a través del turbo expansor y calcularemos la potencia de salida máxima. Estima el potencial de salida de potencia total utilizando el siguiente cálculo:
Tiempo de publicación: mayo 25-2024